“浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索,必须推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展”。空间信息是推动空间科学、技术与应用发展的基础,其瓶颈问题在于空间信息的测度。自前苏联制图学家Sukhov率先将信息论引入地图学领域以来,空间信息量算方法不断发展,被广泛用于影像解译、地图设计、制图综合等领域。相应地,一门以空间信息量算、传输、应用为特征的新科学——地图信息论蓬勃发展、硕果累累。当前,针对矢量数据的空间信息量算方法比较成熟,提出了地图的几何、拓扑和专题信息熵测算方法。然而针对矢量数据的空间信息测度方法并不能扩展至栅格数据,原因是栅格数据由网格化表达、且基本单元大小一致并拥有固定邻元个数,而非大小相异、邻接关系多变的点线面地图符号。针对上述问题,本文提出了一系列玻尔兹曼熵优化算法与变体指标,并将其用于城市扩张、遥感影像解译等领域。论文首先系统回顾了玻尔兹曼熵研究现状;然后评估了定性型栅格数据（如景观镶嵌体）玻尔兹曼熵指标的热力学一致性,包括评估数据的生成、评估准则、标准及指标的确定等;为提高玻尔兹曼熵计算效率,设计并实现了一种基于头尾分割的定量型栅格数据绝对玻尔兹曼熵逼近算法,针对同质性较强的栅格数据,提出基于聚合技术的绝对玻尔兹曼熵估算方法;考虑到栅格数据连续性特征对玻尔兹曼熵量算结果的影响,引入景观形态指数和Wasserstein距离,构建一种顾及形态与重复信息的定性型栅格数据玻尔兹曼熵变体,并评估了其有效性;考虑到邻接关系定义影响连续区域识别,将基于四邻域的Wasserstein玻尔兹曼熵拓展至八邻域,并将其用于面向高光谱图像分类的非监督波段选择方法,发现基于四邻域和八邻域Wasserstein玻尔兹曼熵均可用于确定最优波段,后者比前者更优;将玻尔兹曼熵变体引入城市土地覆盖变化分析中,用于识别城市发展模式与扩张方式;最后,本文开发了一个栅格数据玻尔兹曼熵计算软件,该软件包含数据导入、选择不同指标计算玻尔兹曼熵以及计算结果处理的功能。